KI schneidert künstliche DNA für die zukünftige Arzneimittelentwicklung

Mit Hilfe einer KI ist es Forschern der Chalmers University of Technology, Schweden, gelungen, synthetische DNA zu entwerfen, die die Proteinproduktion der Zellen steuert. Die Technologie kann viel schneller und zu deutlich geringeren Kosten als heute zur Entwicklung und Produktion von Impfstoffen, Medikamenten für schwere Krankheiten sowie alternativen Nahrungsproteinen beitragen.

Wie Gene exprimiert werden, ist ein Prozess, der für die Funktionalität von Zellen in allen lebenden Organismen grundlegend ist. Einfach ausgedrückt wird der genetische Code in der DNA auf das Molekül Boten-RNA (mRNA) übertragen, das der Zellfabrik mitteilt, welches Protein in welchen Mengen produziert werden soll.

Forscher haben viel Mühe darauf verwendet, die Genexpression zu kontrollieren, weil sie unter anderem zur Entwicklung proteinbasierter Medikamente beitragen kann. Ein aktuelles Beispiel ist der mRNA-Impfstoff gegen COVID-19, der die Körperzellen anwies, dasselbe Protein zu produzieren, das sich auf der Oberfläche des Coronavirus befindet.

Das körpereigene Immunsystem könnte dann lernen, Antikörper gegen das Virus zu bilden. Ebenso ist es möglich, dem körpereigenen Immunsystem beizubringen, Krebszellen oder andere komplexe Krankheiten zu besiegen, wenn man den genetischen Code hinter der Produktion bestimmter Proteine ​​versteht.

Die meisten der heutigen neuen Medikamente basieren auf Proteinen, aber die Techniken zu ihrer Herstellung sind sowohl teuer als auch langsam, da es schwierig ist, zu kontrollieren, wie die DNA exprimiert wird. Im vergangenen Jahr unternahm eine Forschungsgruppe in Chalmers unter der Leitung von Aleksej Zelezniak, außerordentlicher Professor für Systembiologie, einen wichtigen Schritt, um zu verstehen und zu kontrollieren, wie viel eines Proteins aus einer bestimmten DNA-Sequenz hergestellt wird.

„Zuerst ging es darum, die Anweisungen des DNA-Moleküls vollständig ‚lesen‘ zu können. Jetzt ist es uns gelungen, unsere eigene DNA zu entwerfen, die die genauen Anweisungen enthält, um die Menge eines bestimmten Proteins zu steuern“, sagt Aleksej Zelezniak über die neueste wichtige Arbeit der Forschungsgruppe Durchbruch.

DNA-Moleküle auf Bestellung

Das Prinzip hinter der neuen Methode ähnelt KI-generierten Gesichtern, die wie echte Menschen aussehen. Indem sie lernt, wie eine große Auswahl an Gesichtern aussieht, kann die KI dann völlig neue, aber natürlich aussehende Gesichter erstellen. Es ist dann einfach, ein Gesicht zu ändern, indem Sie beispielsweise sagen, dass es älter aussehen oder eine andere Frisur haben soll.

Auf der anderen Seite wäre die Programmierung eines glaubwürdigen Gesichts von Grund auf ohne den Einsatz von KI viel schwieriger und zeitaufwändiger gewesen. In ähnlicher Weise wurde der KI der Forscher die Struktur und der regulatorische Code der DNA beigebracht. Die KI entwirft dann synthetische DNA, bei der es einfach ist, ihre regulatorischen Informationen in die gewünschte Richtung der Genexpression zu modifizieren. Einfach ausgedrückt, der KI wird gesagt, wie viel von einem Gen gewünscht wird, und dann „druckt“ sie die entsprechende DNA-Sequenz.

„DNA ist ein unglaublich langes und komplexes Molekül. Es ist daher experimentell äußerst herausfordernd, Änderungen daran vorzunehmen, indem man es iterativ liest und ändert, dann liest und erneut ändert. Auf diese Weise braucht es Jahre der Forschung, um etwas zu finden, das funktioniert. Stattdessen Es ist viel effektiver, eine KI die Prinzipien der DNA-Navigation lernen zu lassen. Was sonst Jahre dauert, wird jetzt auf Wochen oder Tage verkürzt“, sagt Erstautor Jan Zrimec, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Nationalen Institut für Biologie in Slowenien und ehemaliger Postdoc in Slowenien Gruppe von Aleksej Zelezniak.

Die Forscher haben ihre Methode in der Hefe Saccharomyces cerevisiae entwickelt, deren Zellen Säugerzellen ähneln. Im nächsten Schritt werden menschliche Zellen verwendet. Die Forscher hoffen, dass ihre Fortschritte einen Einfluss auf die Entwicklung neuer und bestehender Medikamente haben werden.

„Proteinbasierte Medikamente für komplexe Krankheiten oder alternative nachhaltige Lebensmittelproteine ​​können viele Jahre dauern und extrem teuer in der Entwicklung sein. Einige sind so teuer, dass es unmöglich ist, eine Rendite zu erzielen, was sie wirtschaftlich unrentabel macht. Mit unserer Technologie ist es ist es möglich, Proteine ​​viel effizienter zu entwickeln und herzustellen, um sie vermarkten zu können“, sagt Aleksej Zelezniak.

Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.